Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
МИРОНОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ПРОБ К ХИМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии на кафедре Мониторинг и автоматизированные системы контроля.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
атышенко Константин Павлович
Научный консультант: доктор технических наук, доцент
Черткова Елена Александровна
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор,
заведующий кафедрой
химии АГЗ МЧС РФ
Пушкин Игорь Александрович;
кандидат технических наук, доцент
кафедры АПП МАДИ
Колбасин Александр Маркович
Ведущая организация: ОАО НПО Химавтоматика, г. Москва
Защита состоится 26 апреля 2012 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Да212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066 г.аМосква, ул.аСтарая Басманная, д.а21/4, аудитория В-23.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.
Автореферат разослан 23 марта 2012аг.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г.аМосква, ул.аСтарая Басманная, д.а21/4.
Учёный секретарь
диссертационного совета
д.т.н., доцент Мокрова Н.В
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Совершенствование методов подготовки проб компонентов природной среды к химическому анализу при чрезвычайных ситуациях (ЧС) с автоматизацией данного процесса в химико-аналитической лаборатории является актуальной задачей.
Вопросам совершенствования методов подготовки проб к анализу посвящены работы академиков Ю.А. Золотова и В.Г. Хлопина, Н.С. Гришина, В.А. Пашинина, Б.Ф. Мясоедова, Л.Н. Москвина, Б.Я. Спивакова, В.В. Якшина и др., однако нерешённой остаётся задача проведения пробоподготовки при отсутствии информации об анализируемых компонентах пробы в условиях возникновения ЧС.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009 - 2013 годы).
Предмет исследования - методы подготовки проб к химическому анализу.
Цель работы. Целью настоящей работы является решение актуальной научно-технической задачи совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения чрезвычайных ситуаций, к химическому анализу.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу;
- обосновать направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки;
- разработать универсальный алгоритм подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;
- разработать математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;
- установить факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке автоматизированных устройств и выбрать их оптимальные значения;
- разработать опытные образцы автоматизированных устройств подготовки проб (АУПП) к химическому анализу;
- создать методику подготовки проб к анализу на наличие микропримесей опасных химических веществ (ОХВ) с использованием автоматизации методов;
- провести экспериментальную оценку разработанной методики подготовки проб к анализу с использованием опытных образцов АУПП.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы законодательной и прикладной (практической) метрологии, системного анализа, а также методы математического моделирования.
Научная новизна. Научную новизну составляют:
- обоснованные направления совершенствования и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки с возможностью их использования в полевых условиях при возникновении ЧС;
Ц универсальный алгоритм проведения подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, для анализа в химико-аналитической лаборатории;
- математические модели устройств автоматизированной пробоподготовки и их погрешностей;
- установленные факторы, влияющие на процесс пробоподготовки, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке автоматизированных устройств, выбранные их оптимальные значения;
- методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС.
Практическая значимость. В результате теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию и автоматизации подготовки проб к химическому анализу при возникновении ЧС:
- установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, при его совершенствовании и разработке АУПП, выбраны их оптимальные значения;
- разработаны опытные образцы экстрактора-сепаратора для жидких и твёрдых проб и концентратора-выпаривателя с возможностью выполнения последовательно проводимых операций пробоподготовки в месте возникновения ЧС;
- проведена экспериментальная оценка разработанной методики подготовки проб к анализу на наличие микропримесей ОХВ с использованием опытных образцов АУПП;
достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабильности и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС.
С помощью разработанных АУПП возможна отдельная обработка каждой пробы, применение в качестве экстрагентов различных растворителей. Особенностью разработанных АУПП является простота конструкции (лeгкость сборки и разборки, небольшие габариты), небольшое энергопотребление, возможность использования в стационарных и мобильных химико-аналитических лабораториях. Предложенный алгоритм и разработанные АУПП являются инструментом повышения достоверности результатов измерений путeм уменьшения погрешностей при пробоподготовке, увеличения производительности химико-аналитической лаборатории. Разработанные АУПП могут быть также использованы для стандартных методик анализа.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ФГУП л86 ЦКБ МО РФ при выполнении ОКР Разработка комплекта устройств подготовки проб и в учебный процесс при выполнении лабораторных работ.
Апробация и публикации. По теме диссертационной
работы опубликовано девять печатных работ, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК. В результате исследований разработаны опытные образцы АУПП. Данные технические решения защищены патентами РФ на изобретение (Концентратор-выпариватель № 2275243 и Экстрактор-сепаратор № 2275225).
Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: V Международная конференция Экологические системы, приборы и чистые технологии, 2011 г.; конференция Э - МО РФ Экологические проблемы при эксплуатации, хранении и утилизации В и ВТ, 2007аг.; конференция молодых ученых МГУИЭ, 2011 г.
Структура и объём работы. Диссертационная работа
состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 20 рисунков. Список использованных источников включает 125 наименований. Изложены результаты работы за 2000 - 2011 г.г.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая
значимость результатов работы.
В первой главе проведён анализ существующих методов и аппаратурного оформления подготовки проб к анализу.
Рассмотрены направления совершенствования существующих и создания перспективных автоматизированных устройств пробоподготовки.
Определена проблематика и сформулированы основные задачи, решаемые в ходе выполнения работы.
Во второй главе рассмотрена подготовка проб к химическому анализу на наличие ОХВ при действиях в условиях возникновения ЧС.
Обоснованы направления совершенствования подготовки проб к химическому анализу в условиях возникновения ЧС.
Предложен универсальный алгоритм пробоподготовки, отличающийся от известных возможностью проводить подготовку проб компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, представленный на рис. 1.
Рис. 1. Универсальный алгоритм подготовки проб ОХВ к анализу
Определены пути создания автоматизированных устройств подготовки проб к анализу на наличие ОХВ для использования в местах возникновения ЧС.
Обосновано, что для использования в полевых условиях, целесообразно применение таких автоматизированных устройств, которые основаны на наиболее доступных и часто встречающихся в большинстве методик методах, а именно: жидкостная экстракция, концентрирование и термодесорбция. Метод термодесорбции актуально использовать при разработке приставок к хроматографам с прямым вводом пробы в анализируемый блок. В то же время автоматизированные устройства жидкостной экстракции и концентрирования применимы для реализации представленного алгоритма в полевых условиях в виде последовательно выполняемых операций. На рис. 2. представлена принципиальная схема работы разработанных АУПП для экстракции микропримесей ОХВ из жидких и твёрдых проб.
Рис. 2. Принципиальная схема работы АУПП для экстракции
микропримесей ОХВ из жидких и твёрдых проб
Представив концентрацию исходных веществ в экстракте с учётом стадий растворения, непосредственно экстракции и сепарации и пренебрегая начальной концентрацией извлекаемых веществ в экстракте (), получим математическую модель предложенных АУПП в виде:
(1)
где - концентрация распределяемого компонента в исходной смеси; - концентрация распределяемого компонента в экстракте; - коэффициент сепарирования, ; - степень извлечения компонента (степень экстракции), ; - объём пробы; - объём растворителя.
В табл. 1 представлены математические модели разработанных АУПП для экстракции ОХВ из жидких и твердых проб, чувствительность, относительная, абсолютная погрешности и среднеквадратичное отклонение (СКО).
Таблица 1
Наименование модели | Экстрактор-сепаратор для жидких проб (ЖЭС), экстрактор-сепаратор для твердых проб (ЖЭС ТП) |
1 | 2 |
Статическая характеристика | |
Чувствительность, | |
Относительная погрешность, | |
Абсолютная погреш-ность, | |
СКО, |
На рис. 3. представлена принципиальная схема работы разработанного АУПП для концентрирования микропримесей ОХВ.
Рис. 3. Принципиальная схема работы АУПП для
концентрирования микропримесей ОХВ
Концентрация ОХВ в выпаренном экстракте для дальнейшего исследования физико-химическими методами анализа выражается следующей зависимостью:
(2)
где - общее количество исходного экстракта; - количество выпариваемого растворителя.
В табл. 2 представлены математические модели разработанного концентратора-выпаривателя (КВ), чувствительность, относительная, абсолютная погрешности и СКО.
Таблица 2
Наименование модели | Концентратор-выпариватель (КВ) |
1 | 2 |
Статическая характеристика | |
Чувствительность, | |
Относительная погрешность, | |
Продолжение таблицы 2 | |
1 | 2 |
Абсолютная погреш-ность, | |
СКО, | |
Из (1) и (2) следует, что статическая характеристика разработанных АУПП является линейной, а чувствительность постоянной на всем диапазоне измерений. На рис. 4. представлен график зависимости концентрации ОХВ в экстракте от концентрации анализируемых компонентов в пробе, аппроксимацией которого является уравнение , которое качественно согласуется с разработанными математическими моделями, что подтверждает их адекватность.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
а б
Рис. 4. График зависимости концентрации ОХВ в экстракте от концентрации анализируемых компонентов в пробе: а - теоретический, б - экспериментальный (концентрирование в 50 раз)
На рис. 5. представлены зависимости S и от начальной концентрации определяемых компонентов в пробе.
а б
Рис. 5. Зависимости а - и б - от начальной концентрации определяемых компонентов в пробе
Из анализа математических моделей погрешностей разработанных АУПП следует, что доминирующей является мультипликативная составляющая.
Третья глава посвящена созданию автоматизированных устройств подготовки проб к анализу в химико-аналитической лаборатории последовательно выполняемыми методами жидкостной экстракции и концентрирования.
Установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу с использованием методов математического моделирования, для использования при разработке автоматизированных устройств. Разработаны опытные образцы АУПП. Проведен выбор оптимальных параметров.
В результате проведенных исследований выявлены параметры и условия работы жидкостного экстрактора.
= f(/, N, T, tэ, Dвн/Dшн , pH) optimum, (3)
где N Ц число оборотов мешалки; T - шаг навивки шнека; tэ - время экстракции; Dвн/Dшн - отношение внутреннего диаметра экстракционного стакана к диаметру шнека.
На рис. 6. представлены графики зависимостей степени извлечения от числа оборотов шнека в экстракторе-сепараторе для жидких проб и времени экстракции.
100 100
60 60
40 40
а б
Рис. 6. Графики зависимостей степени извлечения: а - от числа оборотов шнека и б - от времени экстракции
В результате проведённых исследований приняты следующие параметры аппарата: шаг навивки шнека T = 16 мм, Dвн/Dшн = =1,3, N - 1200 об/мин, время экстракции 5 минут.
В четвёртой главе проведена экспериментальная оценка АУПП, разработанных в результате проведенных исследований.
На рис. 7 представлен внешний вид автоматизированных устройств подготовки проб к анализу АУПП.
а б в
Рис. 7. Внешний вид автоматизированных устройств подготовки проб к анализу АУПП: а - жидкостной экстрактор-сепаратор;
б - жидкостной экстрактор-сепаратор для твердых проб;
в - концентратор-выпариватель
Основные технические характеристики АУПП приведены в табл. 3.
Таблица 3
Наименование характеристики* | ЖЭС | ЖЭС ТП | КВ |
Габаритные размеры, не более, мм | 270х240х370 | 310х280х350 | 300х210х340 |
Потребляемая мощность, не более, Вт | 50 | 50 | 150 - 250 |
Напряжение питания, В | 220 | 220 | 220 |
Время экстрагирования (выпаривания) рекомендуемое, использование таймера, мин | 5 | 5 | 3 - 5 |
Температура экстрагирования (выпаривания), С | 20 - 24 | 20 - 24 | 60 |
Объем отбираемого экстракта (концентрата), мл | 10 - 200 | 10 - 200 | 0,1 - 0,5 |
Объем обрабатываемых проб (экстрактов) | 5 - 300 мл | 10 - 200 мг | 5 - 50 мл |
Коэффициент извлечения R (концентрирования I) | до 98 % | до 98 % | 50 - 500 раз |
Число оборотов шнека, об/мин | 0 - 1200 | - | - |
Число оборотов экстракционного стакана в режиме сепарации, об/мин | до 250 | до 250 | - |
* в скобках приведено наименование характеристики для концентратора-выпаривателя
Результаты сравнительной оценки разработанных АУПП с существующими устройствами и ручным способом представлены в табл. 4.
Таблица 4
Наименование характеристики | Ручной способ | Существующие устройства | Разработанные АУПП |
Коэффициент извлечения R, % | до 70 | до 90 | до 99 |
Время пробоподготовки t, мин | 10 - 15 | 5 - 7 | 3 - 5 |
Погрешность, % | до 35 | до 5 | до 2 |
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования и автоматизации подготовки проб, отобранных в месте возникновения ЧС, к химическому анализу.
2. Обоснованы направления создания перспективных АУПП.
3. Разработан универсальный алгоритм пробоподготовки, применимый при возникновении ЧС в условиях отсутствия информации о составе анализируемых компонентов пробы.
4. Разработаны математические модели АУПП и их погрешностей.
5. Установлены факторы, влияющие на процесс проведения подготовки проб к химическому анализу, с использованием методов математического моделирования, для использования при разработке АУПП и выбраны их оптимальные значения.
6. Разработана методика подготовки проб к химическому анализу, основанная на использовании универсального алгоритма и разработанных АУПП, позволяющая проводить пробоподготовку компонентов природной среды на наличие полного перечня ОХВ в условиях возникновения ЧС, проведена её экспериментальная оценка.
7. В результате совершенствования и автоматизации пробоподготовки достигнуто уменьшение времени обработки пробы при стабилизации и повторяемости результатов с заданной погрешностью и возможностью использования разработанных АУПП в составе мобильных комплексов при возникновении ЧС.
8. В ходе проведённых исследований разработаны опытные образцы АУПП, а используемые в них технические решения защищены патентами РФ на изобретение: жидкостной экстрактор-сепаратор (патент РФ № 2275225), концентратор-выпариватель (патент РФ № 2275243).
9. Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в ФГУП л86 ЦКБ МО РФ при выполнении ОКР Разработка комплекта устройств подготовки проб, Разработка машины химической разведки и в учебном процессе.
Список работ, в которых отражены основные результаты:
1. Универсальный алгоритм проведения подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Экологические системы и приборы, №6, 2011, - с. 22 - 26.
2. Автоматизация подготовки проб компонентов природной среды. /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Экологические системы и приборы, №6, 2011, - с. 26 - 30.
3. Подготовка проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ. /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Мир измерений, №3, 2012, - с. 17 - 23.
4. Патент РФ на изобретение № 2275243 Концентратор-выпариватель / С.Н.Гришин, Д.В.Сорвин, А.А.Миронов, В.А.Пашинин/.
5. Патент РФ на изобретение № 2275225 Экстрактор-сепаратор / С.Н.Гришин, Д.В.Сорвин, А.А.Миронов, В.А.Пашинин/.
6. Универсальный алгоритм и автоматизация проведения подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ /К.П.Латышенко, А.А.Миронов/ Сб. трудов V Международная конференция Экологические системы, приборы и чистые технологии - М.: ЭСиП, 2011, - с. 45.
7. Совершенствование и автоматизация подготовки проб к химическому анализу при возникновении чрезвычайных ситуаций /А.А.Миронов/ Сборник трудов научной конференции студентов и молодых учёных МГУИЭ - М.: МГУИЭ, 2011, - с. 102 - 108.
8. Проведение подготовки проб компонентов природной среды для определения опасных химических веществ /С.В.Новиков, А.А.Миронов/ Сборник трудов научной конференции Экологические проблемы при эксплуатации, хранении и утилизации В и ВТ - М.: Э - МО РФ, 2007, - с. 87.
9. Методические указания к лабораторной работе Автономная машина подготовки проб АМПП / В.А.Пашинин, А.А.Миронов и др./ - М.: ВУ РХБЗ, 2000, - 89 с.
Форм.бум. 60х84 1/16. Объём 0,93 усл. п. л. Уч.-изд. л. 1,0.
Печать - ризограф. Тираж 100 экз.
МГУИЭ, издательский центр
105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям